Mesure de la température de transistors de type HEMT AlGaN/GaN en régime de fonctionnement hyperfréquence

AlGaN/GaN HEMT transistor operating temperature measurement under microwave power conditions

• Auteur / Autrice : Flavien Cozette
• Direction : Jean-Claude De Jaeger, Hassan Maher, Marie Lesecq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanotechnologies acoustique et télécommunications
• Date : Soutenance le 19/10/2018
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021) en cotutelle avec Université de Sherbrooke (Québec, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermométrie -- Instruments

Micro-ondes

Nitrure de gallium

Effets de la température

Fiabilité

Transistors à effet de champ à dopage modulé

Mots clés libres

HEMTs

GaN

AlGaN

GaN

HEMTs

Résumé

Le développement de composants de puissance pour les applications hyperfréquence représente un formidable défi qui doit conduire à l’amélioration des systèmes radars, spatiales ou de télécommunications existants. Les transistors de type HEMT AlGaN/GaN ont démontré leurs potentialités pour répondre à cet enjeu. Cependant, l’augmentation des performances des systèmes s’accompagne d’une miniaturisation de plus en plus poussée des transistors entrainant une augmentation de leur température de fonctionnement. Dans ce contexte, la gestion thermique des composants est très importante. Une température de fonctionnement élevée a en effet pour conséquence de dégrader les performances et la fiabilité des composants. Plusieurs voies, comme la fabrication de composants sur substrat diamant ou encore l’intégration de micro-canaux au plus près des transistors, sont en développement pour améliorer la dissipation thermique des transistors de la filière GaN. Ainsi, il a été mis en évidence que la gestion thermique des transistors est un enjeu majeur pour obtenir des systèmes performants et fiable. Afin d’optimiser la gestion thermique des composants, il est important de déterminer avec précision la température de fonctionnement des composants en temps réel. Ce travail de thèse a pour objectif le développement d’une méthode permettant de mesurer en temps réel la température de fonctionnement de transistors de type AlGaN/GaN en régime hyperfréquence. Cette mesure permettrait d’étudier la fiabilité des composants, de contrôler leur température en fonctionnement et d’assurer une maintenance préventive et non curative de systèmes. Plusieurs méthodes de la littérature permettent d’extraire la température de fonctionnement de composants. Cependant, ces méthodes ne sont pas adaptées pour mesurer la température en temps réel de composants packagés. La solution proposée ici consiste à intégrer un capteur de température résistif directement au niveau de la zone active des transistors. Un design permettant l’intégration des capteurs dans des composants compatibles pour des applications de puissance hyperfréquence au-delàs de 10 GHZ a été développé. Une partie conséquente du travail de thèse a consisté à fabriquer les dispositifs (transistors et capteurs intégrés) en central technologique. Des caractérisations thermiques des transistors fabriqués ont ensuite été menées en régime statique et hyperfréquence.

Power microwave devices development is a challenge which leads to improve radars, spatial or telecommunications systems. AlGaN/GaN HEMTs have demonstrated their capabilities to be used in such systems. However, systems performances improvement leads to miniaturize size of transistors. Consequently, the transistors operating temperature increases. As a result, thermal management is very important. A high device operating temperature will deteriorate device performances and device reliability. Several methods such as the use of diamond substrate or the integration of micro-channel lead to improve component thermal dissipation. It has been highlighted that the proper thermal management of the transistor thermal behavior is necessary to obtain performant and reliable systems. In order to improve devices thermal management, transistors’ operating temperature must be determined accurately in real time. The thesis goal consists in developing a method to measure in real time AlGaN/GaN HEMT operating temperature under microwave power condition. This method will permit to study component reliability, to control device operating temperature and to assure systems preventive maintenance purpose. According to the literature, several methods are used to determine HEMT operating temperature. However, these methods cannot be employed to determined packaged components operating temperature. To solve this problem, the proposed method in this work consists in integrating a resistive temperature sensor in the HEMT active area. A design has been developed which permits to integrate a sensor in components for microwave power applications above that 10 GHz. An important part of the thesis work consisted in fabricating the devices (transistors and sensors) in clean room. After fabrication thermal characterizations have been performed under microwave power conditions.